(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン部と、
前記エンジン部から排出される排ガスによって駆動するガスタービンと、
前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して蒸気を生成する熱交換部と、
前記熱交換部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、
前記エンジン部から前記ガスタービンを経由して前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する第１流量調整弁と、
前記エンジン部から前記ガスタービンを経由せずに前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、
前記第１流量調整弁の開度及び前記第２流量調整弁の開度を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記エンジン部の最低許容掃気圧を確保できるように、前記第２流量調整弁の開度を調整する排熱回収システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧が高くになるにつれて、前記第２流量調整弁の開度を開く方向に調整し、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧が低くになるにつれて、前記第２流量調整弁の開度を閉じる方向に調整する請求項１に記載の排熱回収システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記ガスタービンの回転数が前記蒸気タービンの回転数よりも小さいエンジン負荷域において前記第１流量調整弁を閉とし、かつ前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記第２流量調整弁の開度を調整する請求項１又は２に記載の排熱回収システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１流量調整弁を開としたとき、前記第２流量調整弁を閉とする請求項１から３のいずれかに記載の排熱回収システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記ガスタービンの回転数が前記蒸気タービンの回転数よりも大きいエンジン負荷域において前記第１流量調整弁を開とし、かつ前記エンジン部の掃気圧に拘わらず、前記第２流量調整弁の開度を閉とする請求項１から４のいずれかに記載の排熱回収システム。
【請求項６】
エンジン部を駆動する工程と、
前記エンジン部から排出される排ガスによってガスタービンを駆動する工程と、
前記エンジン部から排出される排ガスによって熱交換部にて蒸気を生成する工程と、
前記熱交換部にて生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、
前記エンジン部から前記ガスタービンを経由して前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する工程と、
前記エンジン部から前記ガスタービンを経由せずに前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する工程と、
を備える排熱回収方法であって、
前記ガスタービンに排ガスを流入させずに、前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記エンジン部の最低許容掃気圧を確保できるように、前記エンジン部から前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する排熱回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収システム及び排熱回収方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶には、排熱回収システムが設置される場合があり、排熱回収システムは、ディーゼルエンジン等のメインエンジンと、パワータービン（ガスタービン）と、蒸気タービンと、排ガスエコノマイザなどから構成される。パワータービンと蒸気タービンは、メインエンジンから排出される排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動し、パワータービンと蒸気タービンに接続された発電機によって発電が行われる。
特許文献１には、排熱回収システムにおいて、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるタービン発電機の制御方法及び装置に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２７０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
船舶による運輸では、燃料消費を低減するため、メインエンジンを定格運転させるのではなく、速度を落とした減速運転によって巡航が行われている。これにより、燃料代を大幅に減少することができる。
【０００５】
一方、一般に船舶に搭載された排熱回収システムは、メインエンジン（主機）負荷が例えば９０％の高負荷域で設計されている。パワータービンは、メインエンジンからの排ガスを駆動源としており、例えばメインエンジン負荷が約５０％になったとき、排ガスが導入されて、運転可能となる。
【０００６】
しかし、減速運転による巡航では、メインエンジン負荷が５０％以下の状態でメインエンジンを運転させている。そのため、メインエンジンから排出される排ガスの排ガス温度が低いため、排ガスエコノマイザにおける蒸気の蒸発量も少ない。したがって、減速運転時、排熱回収システムにおいて、パワータービンが駆動してないだけでなく、蒸気タービンの駆動による発電量も少ない、又は蒸気タービンの運転が不可能であり、発電が行われない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、メインエンジンが低負荷域で運転している場合も蒸気タービンとガスタービンの各々の駆動できる条件を見出して発電を行い、排熱を回収することが可能な排熱回収システム及び排熱回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の排熱回収システム及び排熱回収方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る排熱回収システムは、エンジン部と、前記エンジン部から排出される排ガスによって駆動するガスタービンと、前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して蒸気を生成する熱交換部と、前記熱交換部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、前記エンジン部から前記ガスタービンを経由して前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する第１流量調整弁と、前記エンジン部から前記ガスタービンを経由せずに前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、前記第１流量調整弁の開度及び前記第２流量調整弁の開度を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記エンジン部の最低許容掃気圧を確保できるように、前記第２流量調整弁の開度を調整する。
【０００９】
この構成によれば、第１流量調整弁が閉となって、エンジン部からガスタービンを経由して熱交換部へ供給される排ガスがない場合、第２流量調整弁の開度が調整されることによって、エンジン部からガスタービンを経由せずに熱交換部へ供給される。その結果、ガスタービンを駆動しないときであっても、熱交換部で蒸気を生成でき、蒸気タービンを駆動できる。そして、エンジン部の掃気圧に応じて第２流量調整弁の開度が調整されることから、エンジン部の最低許容掃気圧を確保することもできる。
【００１０】
上記発明において、前記制御部は、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧が高くになるにつれて、前記第２流量調整弁の開度を開く方向に調整し、前記第１流量調整弁を閉としているとき、前記エンジン部の掃気圧が低くになるにつれて、前記第２流量調整弁の開度を閉じる方向に調整してもよい。
【００１１】
上記発明において、前記制御部は、前記ガスタービンの回転数が前記蒸気タービンの回転数よりも小さいエンジン負荷域において前記第１流量調整弁を閉とし、かつ前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記第２流量調整弁の開度を調整してもよい。
【００１２】
上記発明において、前記制御部は、前記第１流量調整弁を開としたとき、前記第２流量調整弁を閉としてもよい。
【００１３】
上記発明において、前記制御部は、前記ガスタービンの回転数が前記蒸気タービンの回転数よりも大きいエンジン負荷域において前記第１流量調整弁を開とし、かつ前記エンジン部の掃気圧に拘わらず、前記第２流量調整弁の開度を閉としてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る排熱回収方法は、エンジン部を駆動する工程と、前記エンジン部から排出される排ガスによってガスタービンを駆動する工程と、前記エンジン部から排出される排ガスによって熱交換部にて蒸気を生成する工程と、前記熱交換部にて生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、前記エンジン部から前記ガスタービンを経由して前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する工程と、前記エンジン部から前記ガスタービンを経由せずに前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する工程とを備える排熱回収方法であって、前記ガスタービンに排ガスを流入させずに、前記エンジン部の掃気圧に応じて、前記エンジン部の最低許容掃気圧を確保できるように、前記エンジン部から前記熱交換部へ供給される前記排ガスの流量を調整する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、メインエンジンが低負荷域で運転している場合も蒸気タービンとガスタービンの各々の駆動できる条件を見出して発電を行い、排熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る排熱回収システムを示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る排熱回収システムの排ガス量調整弁と排ガスバイパス量調整弁の開閉を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る排熱回収システムのパワータービン及び蒸気タービンの出力とメインエンジン負荷の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る排熱回収システムのメインエンジンの掃気圧とメインエンジン負荷の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る排熱回収システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る排熱回収システムの概略構成が示されている。本実施形態では、メインエンジンとして船舶推進用のディーゼルエンジン３を用いている。
排熱回収システム１は、船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）３と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５と、排気ターボ過給機５の上流側から抽気されたディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動されるパワータービン（ガスタービン）７と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１と、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン９とを備えている。
【００１８】
ディーゼルエンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的又は間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは、排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続され、排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続される。また、排気マニホールド１５は、第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排ガスの一部が、排気ターボ過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給される。
【００１９】
一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介して排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとから構成されている。
【００２０】
パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールド１５から抽気された排ガスによって回転駆動される。また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動される。
この排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが導入される。排ガスエコノマイザ１１における熱交換部２１は、排ガスの熱によって給水管２３を介して供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれる。
【００２１】
パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて発電機２５を駆動する。蒸気タービン９の回転軸２９は、図示しない減速機及びカップリングを介して発電機２５に接続される。また、パワータービン７の回転軸２７は図示しない減速機及びクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。クラッチ３１としては、所定の回転数にて軸と軸を接続したり離したりするクラッチが用いられ、例えばSSS（Synchro-Self-Shifting）クラッチが好適に用いられる。なお、パワータービン７と蒸気タービン９が直列に結合されるのではなく、パワータービン７と蒸気タービン９のそれぞれに発電機が接続されてもよい。
【００２２】
また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入する排ガスのガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。また、排ガスバイパス管Ｌ５が、第２排気管Ｌ２から分岐して設けられ、第４排気管Ｌ４と合流する。排ガスバイパス管Ｌ５には、排ガスバイパス量調整弁３４が設置される。また、排ガスパイパス量調整弁３４の下流側には、例えばオリフィス４０などの絞り機構が設けられ、排ガスバイパス管Ｌ５を流れる排ガスの流量が制御される。排ガスバイパス量調整弁３４は、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように制御される。ここで、最低許容掃気圧とは、エンジン負荷に応じて予め設定された必要最低の掃気圧であり、ディーゼルエンジン３の燃料燃焼のために必要とされる掃気圧である。具体的には、ディーゼルエンジン３の掃気圧が常にモニタリングされるようにして、エンジン負荷に応じて予め設定された最低許容掃気圧を確保できるように、排ガスバイパス量調整弁３４が制御される。減速運転時において、排ガスバイパス量調整弁３４を開くように調整することによって、パワータービン７を経由せずに、排ガスエコノマイザ１１へ排出される排ガス量が増える。その結果、排ガスエコノマイザ１１における蒸気の蒸発量を増加させて、低負荷運転において蒸気タービン９の起動開始を早めることができる。また、低負荷運転において発電機２５による発電量を増やすことが可能になる。
【００２３】
さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。上述した排ガス量調整弁３３、排ガスバイパス量調整弁３４及び蒸気量調整弁３７は、制御装置４３によって、その開度が制御される。
以上のように発電機２５は、船舶推進用のディーゼルエンジン３の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。
【００２４】
次に、図２及び図３を参照して、排ガスバイパス量の調整及びパワータービン７又は蒸気タービン９の運転について説明する。
パワータービン７を起動するためには、パワータービン７を蒸気タービン９の回転数まで上昇させなければならない。また、パワータービン７は、運転時、最少負荷をとる必要がある。パワータービン７による出力を開始するには、多くの排ガス量が必要であり、メインエンジン（主機）負荷がある程度高いことが必要である。
【００２５】
したがって、パワータービン７の回転数が蒸気タービン９の回転数以上となる状態で、排ガス量調整弁３３を開けて、排ガスをパワータービン７へ供給することによって、パワータービン７による出力を開始できる。
例えばメインエンジン負荷が５０％を超えるような運転がされており、パワータービン７の回転数が、蒸気タービン９の回転数まで上昇する場合に、パワータービン７を起動する。なお、以下では、パワータービン７に起動を開始させるメインエンジン負荷が、５０％の場合について説明するが、本発明は、この例に限られず、例えば４５％など、５０％よりも低い場合も適用できる。
【００２６】
メインエンジン負荷が５０％よりも低い状態から、メインエンジン負荷が５０％に到達したとき、排ガス量調整弁３３を開けることによって、パワータービン７は、運転を開始する。そして、図３に示すように、メインエンジン負荷の上昇にかかわらず、パワータービン７の出力は一定になるように、パワータービン７に供給される排ガス量は一定に保たれ、それ以外の排ガス量は排気ターボ過給機５のタービン部５ａへ送られる。ここで、パワータービン７に供給される排ガス量は、制御の簡易化のために一定量でも良いし、全体のエネルギーバランスから最適とするために、タービンコントロールパネル４４により所定流量に調整される。
なお、メインエンジンの排気利用の安定性を図るために、メインエンジン負荷が５０％以上では、排ガスバイパス量調整弁３４は閉状態に維持される。
【００２７】
メインエンジン負荷が５０％以上では、排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガス、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが導入される。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、蒸気タービン９に導入されて、蒸気タービン９を駆動する。
【００２８】
一方、メインエンジン負荷が高い状態からメインエンジン負荷が５０％未満となるとき、メインエンジンコントロールシステム４３からタービンコントロールパネル４４へ排ガス量調整弁３３の開制限が送られ、排ガス量調整弁３３が閉じられて、パワータービン７への排ガスの供給が停止される。その結果、図３に示すように、パワータービン７による出力は０（ゼロ）となる。また、タービンコントロールパネル４４からメインエンジンコントロールシステム４３へ排ガスバイパス量調整弁３４の開要求が送られ、排ガスバイパス量調整弁３４が開く。
そして、メインエンジン負荷が５０％未満であるとき、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように、メインエンジンコントロールシステム４３によって、排ガスバイパス量調整弁３４の開度が調整される（図４参照）。ここで、メインエンジンコントロールシステム４３及びタービンコントロールパネル４４は、制御部の一例である。
【００２９】
その結果、排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、排ガスバイパス量調整弁３４が設けられた排ガスバイパス管Ｌ５を介して排出される排ガスとが導入される。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、蒸気タービン９に導入されて、蒸気タービン９を駆動する。
【００３０】
したがって、排ガスバイパス量調整弁３４を開くことによって、排ガスエコノマイザ１１における蒸気の蒸発量を増加させて、低負荷運転において蒸気タービン９を駆動することができる。
【００３１】
例えば、メインエンジン負荷が２５％よりも低い状態から、メインエンジン負荷が２５％以上となったとき、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように、メインエンジンコントロールシステム４３によって、排ガスバイパス量調整弁３４が開き始める。これによって、ディーゼルエンジン３の掃気圧力を最低許容掃気圧よりも低下させることなく、かつ、排ガスエコノマイザ１１に排ガスを導入できる。その結果、低負荷運転でも、蒸気タービン９を駆動させて、発電を行うことができる。
【００３２】
メインエンジン負荷が２５％以上５０％未満では、運転時、ディーゼルエンジン３の掃気圧が常にモニタリングされるようにして、メインエンジン負荷に応じて予め設定された最低許容掃気圧を確保できるように、排ガスバイパス量調整弁３４が制御される。すなわち、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂの出口の空気圧力に余裕があるか否かが判断される。そして、コンプレッサ部５ｂの出口の空気圧力の余裕度に応じて、排ガスバイパス量調整弁３４の開度が調整される。
【００３３】
一方、メインエンジン負荷が２５％よりも高い状態から、メインエンジン負荷が２５％未満となったとき、排ガスバイパス量調整弁３４が閉じられる。その結果、ディーゼルエンジン３の掃気圧力は、最低許容掃気圧よりも高くなるように維持される。
【００３４】
従来、低負荷運転時で、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた弁を利用する場合、開度を調整することなく、開又は閉を切り替えていただけであった。例えば、ディーゼルエンジン３で最低許容掃気圧を確保するためには、メインエンジン負荷が例えば約３５％となったときに初めて、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた弁を開にすることができた。
【００３５】
これに対して本実施形態では、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた排ガスバイパス量調整弁３４は、開度を調整することができる。そして、排ガスバイパス量調整弁３４は、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように制御される。したがって、メインエンジン負荷が例えば約２５％であっても、排ガスバイパス管Ｌ５を介して排ガスを排ガスエコノマイザ１１へ排出できる。その結果、従来よりもメインエンジン負荷が低い状態で、蒸気タービン９を駆動させることができる。メイン負荷エンジンがゼロ又はゼロに近い状態から増加する場合は、蒸気タービン９の起動開始を従来よりも早めることができ、低負荷運転における蒸気タービン９による発電量を増加させることができる。
【００３６】
以上、本実施形態によれば、従来は減速運航時、排ガス温度が低かったため蒸気タービン９を駆動して発電機２５による発電をすることができなかったところ、排気マニホールド１５から抽気された高温の排ガスを排ガスエコノマイザ１１に導くことができる。そして、排気マニホールド１５から抽気される排ガス量は、排ガスバイパス量調整弁３４によって制御されることから、ディーゼルエンジン３の掃気圧力を最低許容掃気圧よりも高く維持できる。また、従来よりも、減速運航時における排ガスエコノマイザ１１での蒸気の蒸発量を著しく増加させることができることから、減速運転においても蒸気タービン９による発電能力を高められる。
【００３７】
また、本実施形態では、メインエンジン負荷が例えば約５０％以上であるとき、排ガス量調整弁３３を開けて、排ガスバイパス量調整弁３４を閉じる。したがって、ディーゼルエンジン３からの排気ガスの抽気利用の安定性を図ることができる。
【００３８】
なお、図１に示す例では、排ガスバイパス管Ｌ５が第４排気管Ｌ４に接続される場合に付いて説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、図５に示すように、排ガスバイパス管Ｌ５は、第３排気管Ｌ３に接続されて、パワータービン７を経由しない排ガスは、排ガスバイパス管Ｌ５と第３排気管Ｌ３を通過して、排ガスエコノマイザ１１に供給されてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  排熱回収システム
３  ディーゼルエンジン（エンジン部）
７  パワータービン（ガスタービン）
９  蒸気タービン
１１  排ガスエコノマイザ（熱交換部）
２５  発電機
３３  排ガス量調整弁（第１流量調整弁）
３４  排ガスバイパス量調整弁（第２流量調整弁）
４３  メインエンジンコントロールシステム（制御部）
４４  タービンコントロールパネル（制御部）
【図１】
0005563052.tif 000002
【図２】
0005563052.tif 000003
【図３】
0005563052.tif 000004
【図４】
0005563052.tif 000005
【図５】
0005563052.tif 000006